發動機振動信號采集系統的設計

李曉政

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

由于發動機技術的不斷更新和發展，傳統的診斷儀器所具有的功能單一、攜帶不便、價格昂貴的特點，已經不能滿足人們診斷的需要。此時虛擬儀器技術便產生了，它和PC機來構成了數據采集系統和診斷系統。其中數據采集電路用來完成信號的獲取與控制，PC機來完成信號的處理存儲和顯示功能。由數據采集卡、PC機和測試系統軟件即可構成一臺虛擬的儀器（Virtual Instrument，簡稱 VI）,在實現傳統儀器功能的基礎上可以通過改進代碼來增加診斷功能[1]。

1 發動機振動信號采集系統研究

1.1 信號采集系統軟件介紹

發動機振動信號的采集系統軟件由主控程序的數據采集和數據讀取兩部分組成，數據處理部分的功能有信號分析處理、參數計算顯示和特性曲線的繪制[2]。

本系統設計用的開發環境是LabVIEW8.0，我們可以通過軟件編程來實現所需要的功能。

1.2 程序的前面板設計

前面板是發動機振動信號采集系統的虛擬儀器前面板，有對試驗過程中的各種數據進行實時顯示的模塊。發動機振動信號的采集系統程序界面應該有如下功能：

（1）測試系統開始后，在前面板1輸入采集數和模擬參數，然后點擊初始化按鈕，數據采集卡完成初始化并新建采集任務，而后點擊界面上的開始按鈕，正常工作指示燈變綠，表示工作正常，對信號調理電路輸出的模擬量按既定的采樣頻率采集，程序將采集到的數據顯示成波形圖和圖表，點擊保存按鈕，保存采集的數據，點擊停止按鈕后，程序完成剩下的一系列動作。

（2）采集完成后，將前面板窗口切換到前面板2進行信號的讀取分析。當測試系統運行后，設置時間延遲參數，而后點擊讀取信號按鈕，正常工作指示燈變綠，表示工作正常，窗口中顯示保存的信號和信號的實時幅度譜分析圖像。點擊停止按鈕后，系統停止運行。

1.3 數據的獲取程序功能分析

發動機振動信號數據采集系統的數據處理和界面顯示軟件可以分為數據采集卡初始化與創建新的采集任務，以及程序編寫 （G語言）。其中開始、停止、保存測量結果等多個控件，每個控件里面又含有某一或某些特定的功能，共同實現數據采集、分析處理及顯示。根據在測試過程中特定的功能，編寫相應的程序。

數據采集任務開始前，先進行數據采集卡的初始化，以便創建新的數據采集任務。創建新的采集任務的目的是實現本次數據采集。由于條件有限，采集得到的數據是通過查閱一些文獻資料隨機產生的。盡管是隨機的數據，但這些數據是可以通過數據采集卡獲得的。

我們也可以通過Labview能夠讀取的文件類型來采集數據，將數據編寫為軟件能夠讀取的文件的程序框圖，通過仿真任意信號函數節點來輸入數據，并且通過波形來顯示出來。這些數據理論上說是從數據采集卡獲得的，從數據采集卡獲得的數據與數據采集卡的采樣頻率有關，該發動機振動信號采集系統中采用的采樣頻率為40 KHz，通過仿真任意信號函數節點輸出的波形是整體波形。在仿真任意信號中通過自定義信號數據，輸入查閱得到的數據，通過該節點將數據保存在文件中，進而再通過讀取測量文件函數節點將文件中的數據讀取出來并以動態的圖形來顯示。

1.4 讀取數據文件程序功能分析

通過以上的程序編寫可以獲得想要的數據文件，通過隨機產生的振動信號便可生成波形圖。產生信號的過程類似于實時監測系統，期間可以對振動信號進行保存。數據讀取模塊可以實現獲取動態波形、保存獲得的數據等這樣的功能。

1.5 主程序框圖分析及編寫

該試驗系統中使用了兩種圖形顯示控件，波形圖表和XY圖。二者的特點不同，需要用不同的方法來進行初始化操作。

波形圖表是顯示一條或多條曲線的特殊的數值顯示控件，通常用于顯示以恒定的速率采集到的數據，且其一般一次接收一個點的數據。波形圖表使用于實時測量中的參數監控[3]。

XY圖是通用的笛卡爾繪圖對象，用于繪制多值函數，可用于顯示任何均勻采樣或非均勻采樣的點的集合。與波形圖表不同的是，XY圖能夠一次性完成波形顯示刷新。XY圖輸入的數據類型是由兩組數組構成的簇，簇的每一對數據都對應一個顯示數據點的X、Y坐標[4]。

該系統可以實現發動機振動信號的采集、分析、保存和讀取工作。其程序框圖如下圖1所示：

圖1 主程序框圖

2 發動機振動信號采集系統調試

2.1 模擬測試

以上海生產的6135-13型柴油機為例，利用開發的振動信號采集系統進行發動機振動信號采集試驗研究。測試時，將標定好的3個傳感器分別放置在缸蓋中間和缸蓋兩邊，發動機工作正常情況下，在發動機3種不同轉速下模擬發動機振動信號數據，其模擬曲線如圖2所示：

圖2 振動信號

當測得的振動信號電壓幅值在0v-2v時，由圖可看出綠色指示燈亮，表示發動機振動正常。

當測得的振動信號電壓幅值在2v-4v時，由圖可看出黃色指示燈亮，表示發動機振動稍大。

當測得的振動信號電壓幅值在4v-6v時，由圖可看出紅色指示燈亮，表示發動機振動過大。

最后導出圖像，得到不同振動情況下的振動信號波形圖，如圖3所示：

圖3 導出的振動信號

圖4 讀取的振動信號

此時的波形圖像中信號電壓幅值均在0v-2v，屬于發動機正常振動范圍。

此時的波形圖像中信號幅值出現2v-4v的電壓值，屬于發動機振動稍大的范圍。

此時的波形圖像中信號幅值出現4v-6v的電壓值，屬于發動機振動過大的范圍。

2.2 數據讀取分析

實時信號采集完成后可通過讀取保存的振動信號來進一步分析振動情況，可實現振動信號再現，方便作進一步的探討，圖4是對上述振動信號的讀取分析。

當系統運行時，設置好時間延遲參數，點擊讀取信號按鈕，工作正常指示燈亮起，變成綠色的，然后圖表中變出現了所讀取的信號波形及波形的實時幅度譜，可以進行后續分析，點擊停止按鈕，系統立即停止讀取信號，方便對采集的信號進行分析。

3 小結

本文利用虛擬儀器軟件LabVIEW，編寫了程序框圖，用來實現系統所需功能，對發動機振動信號的采集、保存與讀取。在編制程序時，充分利用了LabVIEW層次化、模塊化的特點，將系統功能劃分為數據采集、數據分析處理、數據保存以及數據讀取等，首先對各模塊分別編程與調試，然后將各個功能模塊的程序聯系與組合起來，并在前面板添加與整理相關的控件，完成了系統的軟件設計，并完成了軟件的調試，能夠實現發動機振動信號采集與分析的功能。

［1］廖開俊,劉志飛.虛擬儀器技術綜述[J].國外電子測量技術,2006,2.

［2］明平順,楊萬福.現代汽車檢測技術[M].北京：人民交通出版社,2002.

［3］郭月強.振動信號的測試與分析及其軟件系統的開發[D].北京：北京工業大學,2002.

［4］劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社,2003：8-10.